一种宽带频率可重构功率放大器的制作方法

1.本发明涉及功率放大器技术领域，尤其是涉及一种宽带频率可重构功率放大器。


背景技术：

2.在5g通信系统的研究中，由于频谱资源紧缺，5g通信系统将面临比4g时代更为严峻的频谱资源紧张的挑战。同时由于传统的微波系统存在结构复杂、体积较大、功能单一等缺陷，已不能满足5g通信系统的发展要求。为适应各种技术要求，射频功率放大器的发展也需要不断的与时俱进。射频功放也需要以多频段、多模式的方式工作，可以进一步降低无线收发模块的功耗和尺寸，适应了当今技术的发展趋势，而可重构技术作为实现多功能化的关键技术具有重大的研究意义。
3.近些年国内外对于可重构功放的研究逐渐热门起来，在目前的国内外研究中，频率可重构功率放大器大部分都为窄带离散可重构，以多波段功放为主，并且形式上大多是混合集成电路，连续宽带可重构的mmic(单片集成电路)功率放大器尚未出现。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本技术提供一种宽带频率可重构功率放大器包括依次连接的输入匹配网络模块、驱动级放大器、级间匹配网络模块、功率级放大器以及输出匹配网络模块；
5.所述输入匹配网络模块接收射频输入信号，所述输出匹配网络模块输出射频输出信号；
6.所述输入匹配网络模块包括两个依次串联的电容器c1、电容器c2，电感器l1的一端连接在电容器c1和电容器c2之间，另一端接地，电感器l2、电感器l3的一端分别通过开关s1、开关s2连接在电容器c1和电容器c2之间，另一端接地；
7.所述输入匹配网络模块还包括第一偏置电路，所述第一偏置电路的一端连接在电容器c2与驱动级放大器之间。
8.进一步地，所述级间匹配网络模块包括两个依次串联的电容器c3、电容器c4，电感器l7的一端连接在电容器c3和电容器c4之间，另一端接地，电感器l8通过开关s3连接在电容器c3和电容器c4之间，另一端接地；
9.所述级间匹配网络模块还包括第二偏置电路，所述第二偏置电路的一端连接在电容器c3与驱动级功率放大器之间；
10.所述级间匹配网络还包括两个依次串联的电容器c11、电容器c21，电感器l11的一端连接在电容器c11和电容器c21之间，另一端接地，电感器l21、电感器l31的一端分别通过开关s11、开关s21连接在电容器c11和电容器c21之间，另一端接地；
11.所述第二输入模块还包括第三偏置电路，所述第三偏置电路的一端连接在电容器c21与功率级放大器之间。
12.进一步地，所述输出匹配网络模块包括两个依次串联的电容器c31、电容器c41，电
感器l71的一端连接在电容器c31和电容器c41之间，另一端接地，电感器l81通过开关s31连接在电容器c31和电容器c41之间，另一端接地；
13.电容器c7的一端通过开关s4连接在电容器c31和电容器c41之间，另一端接地；
14.所述第二输出模块还包括第四偏置电路，所述第四偏置电路的一端连接在电容器c31与功率级放大器之间。
15.进一步地，偏置电路包括一电感器和电容器，电容器的一端连接在电感器的偏置电源输入端，另一端接地。
16.进一步地，所述输入匹配网络模块还包括第一稳定电路，所述第一稳定电路串联在第一偏置电路与驱动级放大器之间；所述第一稳定电路包括并联的电容器c5和电阻器r1。
17.进一步地，所述级间匹配网络模块还包括第二稳定电路，所述第二稳定电路串联在第三偏置电路与功率级放大器之间；所述第二稳定电路包括并联的电容器c51和电阻器r11。
18.进一步地，所述级间匹配网络模块还包括第一谐振电路，所述第一谐振电路串联在驱动级放大器与第二偏置电路之间；所述第一谐振电路包括并联的电容器c6和电感器l5。
19.进一步地，所述输出匹配网络模块还包括第二谐振电路，所述第二谐振电路串联在功率级放大器与第四偏置电路之间；所述第二谐振电路包括并联的电容器c61和电感器l51。
20.进一步地，所述开关s为开关管。
21.进一步地，所述驱动级放大器为晶体管；
22.所述功率级放大器为晶体管。
23.本发明的有益效果在于：
24.本发明通过多个电感器和分别将电感器进行连接的开关管共同构成了一个可重构电感器，通过控制不同开关管的通断，改变等效电感的值，从而实现频率的连续可重构，改变输入输出级间匹配的频率实现功率放大器的频带可重构；
25.两级lc匹配的结构实现更宽的带宽；采用驱动级放大器和功率级放大器级联，实现了信号的高增益以及宽频带；
26.采用单片电路形式，结构简单、体积较小。
附图说明
27.图1为本发明所提供的一种宽带频率可重构功率放大器的结构框图；
28.图2为本发明所提供的一种宽带频率可重构功率放大器的结构示意图；
29.图3为本发明所提供的一种宽带频率可重构功率放大器的结构划分示意图；
30.图4为本发明所提供的一种宽带频率可重构功率放大器的功率附加效率仿真结果图；
31.图5为本发明所提供的一种宽带频率可重构功率放大器的功率输出功率仿真结果图。
32.附图标号说明：
33.输入匹配网络模块1、驱动级放大器2、级间匹配网络模块3、功率级放大器4、输出匹配网络模块5。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接和信号连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.实施例1：
37.如图1至图3所示，本实施例提供的一种宽带频率可重构功率放大器包括依次连接的输入匹配网络模块1、驱动级放大器2、级间匹配网络模块2、功率级放大器4以及输出匹配网络模块5；
38.所述输入匹配网络模块1接收射频输入信号，并将输入匹配网络传输至驱动级放大器2，级间匹配网路模块与驱动级放大器2的信号输出端信号连接，并将级间匹配网络传输至功率级放大器4，输出匹配网络模块5与功率级放大器4的信号输出端信号连接输出射频输出信号；
39.所述输入匹配网络模块1包括两个依次串联的电容器c1、电容器c2，电感器l1的一端连接在电容器c1和电容器c2之间，另一端接地，电感器l2、电感器l3的一端分别通过开关s1、开关s2连接在电容器c1和电容器c2之间，另一端接地；
40.所述输入匹配网络模块1还包括第一偏置电路，所述第一偏置电路的一端连接在电容器c2与驱动级放大器2之间。
41.所述开关s为开关管，具体为mosfet开关管。
42.驱动级放大器2为晶体管，采用4x125um栅宽晶体管，偏置电压选取vg＝
‑
1.8v，vd＝14v；功率级放大器4为晶体管，采用6x125um栅宽晶体管，偏置电压vg＝
‑
1.8v，vd＝28v。
43.作为优选的，采用直流偏置电源作为开关管和偏置电路的控制电压。
44.需要说明的是，本发明提供了一种宽带频率可重构功率放大器，l1、l2、l3和开关管s1、s2构成了一个可重构等效电感，当s1、s2都断开时，其等效电感值为l1,当s1导通，s2断开时，其等效电感值为l1//l2,当s1、s2都导通时，其等效电感值为l1//l2//l3。通过改变等效电感的值从而实现了对输入匹配网络的频率的可重构。
45.本发明可采用稳懋的.25umgan工艺实现。并且，本技术采用单片电路形式，结构简单、体积较小。
46.电容器c1、电感器l1以及电容器c2、电感器l4构成两级lc结构，使输入匹配网络模块1具有更宽的带宽；
47.实施例2：
48.本实施例是在实施例1的基础上实现的，具体的：所述级间匹配网络模块2包括两个依次串联的电容器c3、电容器c4，电感器l7的一端连接在电容器c3和电容器c4之间，另一端接地，电感器l8通过开关s3连接在电容器c3和电容器c4之间，另一端接地；
49.所述级间匹配网络模块2还包括第二偏置电路，所述第二偏置电路的一端连接在电容器c3与驱动级功率放大器之间；
50.所述级间匹配网络还包括两个依次串联的电容器c11、电容器c21，电感器l11的一端连接在电容器c11和电容器c21之间，另一端接地，电感器l21、电感器l31的一端分别通过开关s11、开关s21连接在电容器c11和电容器c21之间，另一端接地；
51.所述第二输入模块还包括第三偏置电路，所述第三偏置电路的一端连接在电容器c21与功率级放大器4之间。
52.级间匹配网络模块2接入电感l8、l11、l21、l31以及开关s3、s11、s21构成可重构等效电感，通过改变等效电感的值从而实现了对级间匹配网络的频率的可重构。
53.电感器l6、电容器c3以及电感器l7、电容器c4构成两级lc结构，使级间匹配网络模块2具有更宽的带宽；
54.电容器c11、电感器l11以及电容器c21、电感器l41构成两级lc结构，实现第二输入模块中网络更宽的带宽。
55.实施例3：
56.本实施例是在实施例2的基础上实现的，具体的：所述输出匹配网络模块5包括两个依次串联的电容器c31、电容器c41，电感器l71的一端连接在电容器c31和电容器c41之间，另一端接地，电感器l81通过开关s31连接在电容器c31和电容器c41之间，另一端接地；
57.电容器c7的一端通过开关s4连接在电容器c31和电容器c41之间，另一端接地；
58.所述第二输出模块还包括第四偏置电路，所述第四偏置电路的一端连接在电容器c31与功率级放大器4之间。
59.输出匹配网络模块5接入电感器l71、l81以及开关s31构成可重构等效电感，通过改变等效电感的值从而实现了对输出匹配网络的频率的可重构。
60.电感器l61、电容器c31以及电感器l71、电容器c41构成两级lc结构，使级间匹配网络模块2具有更宽的带宽；
61.具体的，当驱动级放大器2和功率级放大器4的开关s全部处于关断状态时，整个可重构功率放大器工作于2
‑
4.5ghz。当驱动级放大器2的开关s1和功率级放大器4的开关s11、s31同时导通时，可重构功率放大器工作于4
‑
7ghz。当驱动级和功率级所有的开关均导通时，可重构功放工作于6.5
‑
10ghz。实现了2
‑
10ghz宽带连续可调频率可重构。
62.实施例4：
63.本实施例是在实施例3的基础上实现的，具体的：偏置电路包括一电感器和电容器，电容器的一端连接在电感器的偏置电源输入端，另一端接地。即第一偏置电路、第二偏置电路、第三偏置电路和第四偏置电均采用同样的结构，通过对偏置电路电感器的另一端输入直流偏置电压，使晶体管处于所要求的电位。
64.实施例5：
65.本实施例是在实施例1的基础上实现的，具体的：所述输入匹配网络模块1还包括
第一稳定电路，所述第一稳定电路串联在第一偏置电路与驱动级放大器2之间；所述第一稳定电路包括并联的电容器c5和电阻器r1。以提升放大器的稳定性。
66.实施例6：
67.本实施例是在实施例2的基础上实现的，具体的：所述级间匹配网络模块2还包括第二稳定电路，所述第二稳定电路串联在第三偏置电路与功率级放大器4之间；所述第二稳定电路包括并联的电容器c51和电阻器r11。以提升放大器的稳定性。
68.实施例7：
69.本实施例是在实施例2的基础上实现的，具体的：所述级间匹配网络模块2还包括第一谐振电路，所述第一谐振电路串联在驱动级放大器2与第二偏置电路之间；所述第一谐振电路包括并联的电容器c6和电感器l5。电感器l5和电容器c6并联所构成的谐振电路，谐波控制的作用，另一方面可以和晶体管漏极的寄生电容形成lc结构，同时具有对效率及带宽均有优化作用。
70.实施例8：
71.本实施例是在实施例3的基础上实现的，具体的：所述输出匹配网络模块5还包括第二谐振电路，所述第二谐振电路串联在功率级放大器4与第四偏置电路之间；所述第二谐振电路包括并联的电容器c61和电感器l51。电感器l51和电容器c61并联所构成的谐振电路，谐波控制的作用，另一方面可以和晶体管漏极的寄生电容形成lc结构，同时具有对效率及带宽均有优化作用。
72.需要说明的是本发明可采用ads仿真软件对可重构功率放大器的版图进行设计仿真。图4所示为功率附加效率(pae)仿真结果，通过开关管可以让功率放大器在三个频段内切换，分别为2
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4.5ghz、4
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7ghz、6.5
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10ghz最终结果，如图所示基本实现在2
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10ghz全频段效率大于30％。在最小值在2ghz处为28％，峰值在2.6ghz处达到43％。图中所记载的频段1、频段2、频段3分别对应本技术中的频段2
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4.5ghz、4
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7ghz以及6.5
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10ghz。
73.图5所示为输出功率(pout)仿真结果，输入功率(pin)为18dbm，从仿真结果可以看出该功率放大器在2
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10ghz频段基本实现了大于33dbm(2w)的输出功率。图中所记载的频段1、频段2、频段3分别对应本技术中的频段2
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4.5ghz、4
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7ghz以及6.5
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10ghz。
74.以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。